可植入机器人膀胱：实现实时容量监测与辅助排尿的革命性技术

《Advanced Intelligent Systems》：A Robotic Urinary Bladder Enabling Volume Monitoring and Assisted Micturition

本文介绍了一种创新的可植入式机器人膀胱（IBRoB），它通过折纸结构设计与微型机电系统结合，实现了400 mL的尿液存储、实时容量监测（电感传感技术）和按需机械压缩辅助排尿功能。体外实验验证了其在人体模型中的精准体积重建（平均误差8.4±6.1 mL）和高效排尿（99%尿液在2分钟内排出），为癌症及器官切除/功能障碍患者提供了主动机器人解决方案，显著推进了人工器官领域的发展。

　　

引言

可植入人工器官是医疗机器人领域最具前景的前沿方向之一。人工膀胱作为其中的突出代表，对患者的独立性、情感和社会生活具有深远影响。然而，完全复制天然膀胱的功能——包括尿液存储、腔内体积感知以及动态扩张和收缩——仍是一项重大技术挑战。现有的尿流改道和肠代膀胱手术虽为临床常规方案，但严重影响患者生活质量，如需要外部集尿袋和丧失膀胱充盈感。因此，开发一种能够无缝集成到人体内的植入式机器人膀胱（Implantable Braided Robotic Bladder, IBRoB）具有迫切需求和巨大潜力。

IBRoB的设计

IBRoB由四个子系统构成，共同确保其功能实现：i) IBRoB结构，包括作为膀胱本体的软质气球和编织结构，用于在排尿时对气球施加均匀压力；ii) 基于电感传感器的传感系统，用于监测膀胱容量；iii) 基于电缆的驱动机制，保证高效稳定的收缩-扩张序列；iv) 控制和接口电子设备，确保正确运行。

该设备的技术要求包括：i) 排尿压力为3–4 kPa；ii) 排尿时间少于4分钟；iii) 稳态残余尿量最大为10 mL。其气球形状受折纸技术启发，充盈时形成六边形，排空时呈星形。这种折叠设计有助于气球完全闭合，在排空配置下内部体积近乎为零，这对于避免排尿后尿液残留导致的细菌感染至关重要。编织结构的设计灵感来源于逼尿肌中层解剖结构，该层平滑肌呈多方向交织纤维状，使膀胱能够均匀压缩。类似地，IBRoB采用柔性编织连杆，交叉形成可变直径的螺旋圆柱体。

IBRoB的传感策略

为实现适时排尿，精确的传感策略至关重要。由于体内条件的限制，适用于植入器官的传感解决方案非常有限。IBRoB选择了电感传感器结合张力弹簧的方案，因其具有低功耗、高伸长率和小尺寸的优点。两个张力弹簧纵向布置在编织结构中段的两侧，以提供恒定力来克服充盈阶段的结构摩擦。弹簧尺寸使其在膀胱扩张状态下达到静息长度。传感器读数在所有伸长-缩短循环和不同伸长速率下均表现出高度均匀性和极低滞后性（0.7%）。采用指数曲线拟合对传感器行为进行建模，该模型在伸长范围内提供平均0.3 mm的精度和0.8 mm的准确度。

电缆驱动的逼尿肌模拟

IBRoB采用电缆驱动机制来压缩编织结构，从而对内部气球施加径向力。电缆布置和长度控制需满足两个主要要求：i) 收缩IBRoB，保证膀胱内压在生理范围内（原生逼尿肌最高可达6 kPa），以实现有效排尿；ii) 允许IBRoB扩张，不阻碍尿液收集。为收缩系统，电缆可以围绕编织结构以一圈或多圈及多种配置放置。实验测量了电缆张力，以选择达到系统压力要求的直流微电机。台式测试显示，需要8.83±0.87 N的电缆张力才能在膀胱出口获得至少3 kPa的压力。最终选择了2圈布线配置作为收缩时间和所需功率之间的最佳平衡点。根据动态要求的理论计算得出，采用2圈配置收缩系统需要33 mW的直流微电机。

IBRoB对尿液容量的适应

IBRoB实现了对电缆张力的精确控制，这是软膀胱驱动器的显著特征之一。在这种动态驱动中，电缆张力被实时调整，以避免对膀胱体产生过高或过低的径向力。在充盈阶段，IBRoB通过简单的电子设备和控制器进行编程，定期（例如每5分钟，考虑到正常的生理膀胱充盈速率，即1.5–3 mL min^-1）检查电缆力。根据IBRoB的校准，如果测量结果显示张力高于5 N或22 mNm（约等于2 kPa膀胱内压），则电缆将释放3 mm。

IBRoB的尿液体积估计

IBRoB在扩张过程中遵循可预测的形状（从星形到六边形），因为气球顶点受编织结构连杆的约束。利用气球的几何特性和传感器长度来估计内部体积。在台式实验中，扩展策略和传感方法成功跟踪了各种恒定输入流速，体积重建的平均误差为8.4±6.1 mL，最大误差为58.5 mL。平均误差仅为气球满容量（400 mL）的2.8%。为在更真实的场景（膀胱充盈速率随机变化）中验证系统，在填充动物组织模拟膀胱周围器官占位的人体模型内评估了设备性能。在单个充盈阶段变化各种流速，体积估计的平均误差为25.6±11.9 mL，最大误差为76.4 mL。平均误差仅为气球满容量的6.4%。

IBRoB的辅助排尿功能

尿液体积重建试验以激活电缆驱动机制进行排尿阶段结束。将IBRoB水平放置（模拟卧床患者的最坏情况）和以35°角倾斜放置进行测试。结果显示，水平放置并驱动时，在200秒内排出了初始体积的96±1.3%，稳态残余体积最大为10 mL（容量的3.3%）。在倾斜位置并驱动（重力和电缆排尿混合）时，在90秒内实现了99%的排尿，稳态体积最大为5 mL。这是排尿的理想条件，例如患者坐在马桶上。所有未进行电缆驱动的测试在4分钟内仅排出约58%的尿液，稳态残余尿量超过100 mL（容量的33.3%），这被认为对泌尿系统具有临床危害。在人体模型试验中，膀胱水平放置，在60.4±8.9秒内排出了初始体积的93±1.9%。

讨论与结论

IBRoB代表了根治性膀胱切除术患者植入式机器人设备领域向前迈出的重要一步。尽管先前使用磁驱动的研究报告了足够的性能（即达到4 kPa压力），但其被动操作会产生高的膀胱内负压。而使用形状记忆合金线作为逼尿肌会消耗大量电流并迅速达到80°C以上的温度。基于电容传感器的传感解决方案由于其庞大的测量电子设备而无法与植入式设备集成。

当前的IBRoB正常运行仅需46.3 mAh的功率预算，通过优化控制方案可以进一步降低。未来的发展可以轻松嵌入可植入电池，并可使用无线充电原理进行充电。当前原型已成功执行约65个排尿周期而性能没有下降，这足以进行短期体内植入试验。

将该系统推向体内研究引入了几个重要挑战，包括免疫反应、组织整合和长期机械稳定性。慢性植入需要具有生物相容性、顺应性并能抵抗局部刺激、纤维化和结壳的材料，而与输尿管和膀胱的接口必须在生理尿流下保持防漏连接。此外，该设备必须承受重复的充盈和排尿周期而功能不丧失或结构完整性不受损。

在此阶段，我们使用机械阀作为充盈阶段的尿路括约肌。然而，在未来的体内植入开发阶段，可以集成电磁阀。IBRoB另一个尚未解决的工程挑战是设备的可配置密封，以避免电子设备与侵蚀性体液接触，这是由于气球的大范围扩张-收缩-扩张运动所致。

解决这些挑战将涉及仔细的材料选择、接口优化和分阶段的临床前评估，从急性植入研究开始，以评估手术植入过程、短期设备操作和身体对植入物的反应。这些观察结果将被视为优先事项，以推进在大型动物模型中进行长期体内植入。